一种低成本非掺杂异质结晶体硅太阳能电池及其制备方法

本发明属于晶体硅太阳能电池领域，涉及一种低成本非掺杂异质结晶体硅太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、为了提升晶体硅(c-si)太阳能电池的效率，必须降低表面载流子复合、接触电阻、寄生吸收等损耗。在目前主流的发射极及背面钝化电池(perc)中，金属电极与硅片之间的直接接触会导致光生电子和空穴的严重复合损失，尽管在接触电极的下方采用重掺杂可以显著降低载流子复合，但会导致俄歇复合和自由载流子吸收增加，从而降低了电池的性能。因此，为了消除金属与硅的直接接触，人们提出了全表面钝化和选择性载流子接触技术，进一步提高晶体硅太阳能电池的效率。

2、氧化钛(tiox)和氧化钼(mooy)具有较大的带隙能(eg>3.0ev)，与非晶硅的1.7ev的带隙相比，可以大幅降低寄生吸收。同时，由于氧化钛具有较低的功函数(3.8～4.2ev)，tiox/c-si界面的导带偏移较小，价带偏移较大，因此很适合作为晶体硅异质结电池的电子选择性接触层。氧化钼具有较高的功函数(5.4～6.1ev)，tiox/c-si界面的导带偏移较大，价带偏移较小，因此很适合作为晶体硅异质结电池的空穴选择性接触层。

3、与在晶体硅前后表面沉积一层本征氢化非晶硅薄膜和一层与掺杂种类相反的掺杂氢化非晶硅薄膜的异质结晶体硅(hit)电池相比，目前tiox/c-si/mooy结构的非掺杂异质结硅太阳能电池的效率还是偏低，主要原因是tiox和mooy薄膜的电阻率很大，使得作为钝化接触层用薄膜厚度一般要小于10nm，否则会导致较大的接触电阻，但是钝化层太薄，钝化效果就会变差，表面复合电流会增加。另外，随着氧化钛或氧化膜薄膜的沉积温度或随后的退火温度增加，薄膜从非晶态转化为晶态，对晶体硅表面的钝化效果变差。目前，氧化钛和氧化钼薄膜都是采用热蒸发或原子层沉积(ald)方法制备，热蒸发方法很难较为精确控制薄膜厚度和氧的组分，原子层沉积方法沉积速率很慢，设备昂贵。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低成本非掺杂异质结晶体硅太阳能电池及其制备方法。

2、申请人研究发现，在氧化钛和氧化钼薄膜的生长过程中，当掺杂的锰离子半径与钛离子或钼离子的半径相差较大时，锰离子取代钛离子或钼离子会引起晶格畸变，这种由于畸变引起的应力会阻挡晶粒边界的移动，抑制了晶粒的长大。另一方面，替代钛离子或钼离子的掺杂锰离子随机地分布在晶格中钛离子或钼离子位置上，形成氧化钛-锰氧化物或氧化钼-锰氧化物，从而也抑制了晶粒的进一步生长。所以，在氧化钛或氧化钼中掺入锰离子，可以抑制氧化钛或氧化钼薄膜从非晶态相向晶态相的转变，或者说提高了相变转化温度，从而提高了氧化钛或氧化钼薄膜对晶体硅的钝化效果。

3、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)是将反应物中的气体分子激活成活性离子，使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术，沉积的薄膜均匀好，非常适合大面积工业化制备。利用pecvd方法在硅前后表面沉积氧化钛和氧化钼薄膜，如果反应气氛中通入氢气和氯气，那么氢原子在沉积和随后的退火过程中会扩散到薄膜和硅表面，可以钝化硅表面的悬挂键，同时，氯原子也会扩散到薄膜和硅表面，并与硅界面附近的硅结合，形成氯-硅键，减少氧空位和硅悬挂键，从而减少薄膜的固定电荷和界面态密度，提高薄膜对硅表面的钝化效果。另外，在随后的薄膜退火过程中，薄膜中的氧原子会扩散到界面，并与硅原子结合在硅表面形成超薄氧化硅层，对硅表面起到良好的钝化效果。

4、基于上述研究，为完成第一个发明目的，所采用的技术方案是这样的：一种低成本的非掺杂异质结晶体硅太阳能电池，其特征在于具有如下的结构：ag/ito/mnz1mooy2/mooy1/siop/p-c-si/siop/tiox1/mnz2tiox2/ca/al，其中1<x1<1.8，1<x2<1.8，1<y1<2.5，1<y2<2.5，0<z1<0.15，0<z2<0.15，1<p<2，siop层厚度小于1.5nm。

5、为完成第二个发明目的，所采用的技术方案是这样的：

6、一种低成本的非掺杂异质结晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所用的生长设备包括混气室和反应腔体，生长源溶液通过蒸发器蒸发并采用氢气携带的方式进入混气室，然后进入反应腔体，反应腔体内设有上下两个金属网格电极，射频电压加在上下两个金属网格电极之间；制备方法包括如下步骤：

7、1)硅片清洗；

8、2)氧化钼薄膜生长：清洗后的硅片固定于反应腔体内可旋转的载物台上，打开mocl5蒸发器的电源，通入氧气、经过氢气携带的mocl5，打开射频电源，在射频电压的激励下生成等离子，然后发生反应，形成的反应物mooy1沉积到硅片表面；

9、3)氧化钼锰薄膜生长：mooy1薄膜生长结束以后，打开mncl2蒸发器的电源，经过氢气携带的mncl2进入反应腔体参与反应，形成的反应物mnz1mooy2沉积到mooy1上面；

10、4)氧化钛薄膜生长：利用机械手翻转硅片，关闭mocl5和mncl2蒸发器的电源，打开ticl4蒸发器的电源，经过氢气携带的mocl5与氧气混合以后，在射频电源激励下生成等离子体，在硅片的背面形成tiox1薄膜；

11、5)氧化钛锰薄膜生长：tiox1薄膜生长结束以后，打开mncl2蒸发器的电源，经过氢气携带的mncl2进入反应腔体参与反应，形成的反应物mnz2tiox2沉积到tiox1上面；

12、6)原位退火形成超薄氧化硅：氧化钼、氧化钼锰、氧化钛、氧化钛锰薄膜生长结束以后，关闭所有气阀和射频电源，腔室保持真空，真空度优于0.01pa，样品在原位退火5～10分钟，退火温度为300～350℃，形成超薄氧化硅；

13、7)ca/al背电极制备：采用蒸镀法在硅片背表面的mnz2tiox2薄膜上面，首先生长10-20nm的钙薄膜，然后生长300～500nm的铝作为电池的背电极；

14、8)前表面ito与银电极生长：采用磁控溅射法，在硅片前表面的mnz1mooy2薄膜上面依次生长70～80nm的ito导电薄膜和300～500nm的叉指状银电极。

15、本发明中，mooy薄膜的生长源为五氯化钼(mocl5)溶液，采用氢气(h2)作为携带气体把mocl5带入pecvd反应腔体，然后与氧气(o2)发生反应，生成mooy，反应方程如下：

16、mocl5(气态)+h2(气态)+o2(气态)→mooy(固态)+hcl(气态)

17、同样，mnzmooy薄膜是通过氢气把mocl6和二氯化锰(mncl2)携带进入腔体与氧气反应二形成的，反应方程如下：

18、mocl5(气态)+mncl2(气态)+h2(气态)+o2(气态)→mnzmooy(固态)+hcl(气态)

19、tiox和mnztiox薄膜的生长源为四氯化钛(ticl4)溶液和mncl2溶液，携带气体为氢气，并与氧气发生反应而形成薄膜。反应方程与上述方程类似。

20、超薄siop层是薄膜生长结束后进行的退火过程中，薄膜中的氧原子会扩散到薄膜与硅的界面，并与硅原子结合形成的。在mnztiox与金属铝(al)电极之间插入一层低功函数的金属钙(ca)，是为了降低mnztiox与al之间的势垒，可以降低接触电阻。

21、在pecvd薄膜的沉积过程中，等离子体对薄膜的轰击会增加薄膜内缺陷密度，导致薄膜对硅的钝化性能降低，为此，在本发明中设计了金属网格电极的方案，大幅降低了等离子对薄膜的轰击，提升了薄膜的钝化性能。